物理学家可以将商用石墨烯用于T波检测

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物理学家可以将商用石墨烯用于T波检测

莫斯科物理与技术研究所(MIPT)和瓦里耶夫物理与技术研究所的俄罗斯研究人员已证明太赫兹辐射在市售石墨烯中的共振吸收。这是设计高效太赫兹探测器的重要一步,以实现更快的互联网连接和X射线人体扫描的安全替代。研究成果发表在《物理评论应用》上。

石墨烯光电

自从Andre Geim和Kostya Novoselov因研究石墨烯的独特电子性质而获得2010年诺贝尔物理学奖以来,对这种材料的兴趣从未减弱。石墨烯实际上是二维的:它由一个原子厚的碳层组成,这是其特性如此惊人的原因之一。它很薄,但机械强度高,甚至不渗透氦原子,并且导电和导热性极好。电子在石墨烯中的高迁移率使其成为超快光电探测器(包括在太赫兹范围内工作的那些)的有前途的材料。

太赫兹辐射(也称为T波)同样难以产生和检测。这引起了“太赫兹间隙”的概念,它指的是电磁频谱中大约0.1-10 THz的频带。在此范围内,没有有效的设备可以产生和检测辐射。尽管如此,T波对人类而言非常重要:它们不会伤害人体,因此可以在医学扫描中替代X射线。而且,T波可以使Wi-Fi更快,并解锁用于天文学研究的宇宙射线研究不佳的波段。

尽管石墨烯具有巨大的光电检测潜力,但其单层本身仅吸收约2.3%的外部辐射,这不足以进行可靠的检测。解决此问题的方法是将磁场强烈地定位在石墨烯附近,迫使电磁波与石墨烯电子耦合并激发谐振。产生的电磁场和传导电子的集体波被称为表面等离子体激元。等离子体激元共振的相应现象是由于表面等离子体激元波的激发而增强了光吸收。

不幸的是,这种现象在用平面波照射的导体的连续薄片中没有观察到。与光子相比,等离激元波长太短,这就是为什么这两个波很难同步的原因。为了解决这种差异,将金属光栅放置在石墨烯膜上方。它像一把齿距小于一微米的小梳子。

石墨烯:期望与现实

数十种技术可用于生产石墨烯。它们在最终产品质量和劳动强度方面有所不同。研究人员称赞石墨烯中的高电子迁移率常常淡化了这种材料的制造难度。

高质量的石墨烯是通过机械剥离制成的。这涉及在两个胶带之间放置一块石墨,然后在多次迭代中逐渐剥落更薄的层。在某些时候,会出现石墨烯的碎片,即单层石墨。这种“手工”石墨烯对应用设备具有最佳特性,例如,由MIPT,莫斯科国立教育大学和曼彻斯特大学的研究人员创建的基于封装石墨烯的共振T波检测器。不幸的是,通过机械剥离制造的石墨烯薄片只有几微米宽,需要几个月的生产时间,最终对于串行设备设计来说太昂贵了。

对于石墨烯合成,有一种更容易且可扩展的替代技术,称为化学气相沉积(CVD)。它涉及在专用炉中分解气体(通常是甲烷,氢和氩的混合物)。该工艺导致在铜或镍基板上形成石墨烯膜。与机械剥离的石墨烯相比,所得石墨烯具有较差的特性和更多的缺陷。但是CVD是目前最适合扩大设备生产的技术。

俄罗斯物理学家着手测试这种商用级石墨烯是否足以用于太赫兹等离子体激元共振激发,从而使其成为T波探测器的有效材料。

“实际上,CVD生产的石墨烯膜不是均匀的。它像多晶一样,由许多合并的晶粒组成。每个晶粒都是一个具有完全对称原子图案的有序区域。晶界以及缺陷使这种石墨烯的加工变得非常困难。研究的共同作者和MIPT研究生Elena Titova表示。

该团队花了一年多的时间在该研究所的共享研究设施中心精通CVD石墨烯的研究。同时,实验室理论部门的同事确信不会观察到等离子体共振。原因是共振能见度是由所谓的品质因数(即品质因数,即电子在遇到晶格缺陷之前经过多少个周期)决定的。理论估计预测,由于CVD石墨烯中频繁发生的电子缺陷碰撞,Q因子非常低。就是说,石墨烯中的高电子迁移率不是由于电子碰撞的发生而引起的,而是由于电子的质量低,这使得它们能够快速加速至高速。

理论与实验

尽管有悲观的理论预测,论文的作者还是决定继续进行实验。他们的决心得到了回报:吸收光谱显示出指示CVD合成石墨烯中的等离振子共振的峰。

“事实是,并非所有缺陷都是相同的,在直流测量和太赫兹吸收测量中,电子会与不同的缺陷发生碰撞,”负责光电器件二维材料的MIPT实验室负责人Dmitry Svintsov评论说。“在直流实验中,电子在从一种电接触到另一种电接触的过程中不可避免地会遇到晶界。但是,当暴露于T波时,电子将在单个晶粒内波动,远离其边界。这意味着缺陷实际上,降低直流电导率对于T波检测是“安全的”。”

与共振等离子体激元激发的频率有关的另一个谜团与先前已有的理论不同。事实证明,这与金属光栅的几何形状有关。研究小组发现,当光栅靠近石墨烯放置时,光栅(图1中用橙色表示)改变了等离子体激元的场分布。这导致等离激元在“梳齿”下定位,其边缘充当了等离激元的镜像。研究人员根据与固态物理学中紧密结合模型的类比,制定了一个非常简单的描述现象的理论。该理论很好地重现了实验数据,而无需求助于拟合参数,可用于优化未来的T波探测器。


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